超临界二氧化碳下酶法酯交换反应研究进展

⑥ 7g~z-" 78 食品与发酵工业 Food and Fermentation Industries Vo[．23 No．5 摘 超临界二氧化碳下酶法酯交换反应研究进展 ， 林志勇 裘爱泳 无锡 ；食品学院 ：；； ～ ， f了 7t214036 (无锡轻工大学食品学院t无锡， ) V v1／ 要 超临界二氧化碳作为酶反应中间舟质具有根多忧点 本文详细论述了超临界二氧化碳下 脂肪酶催化酯交换反应的研究进展 关键词 超临界二氧化破 脂肪醇 酯交换 、—、——、——一 ， ～ ， ～ 超临界二氧化碳(SCCOz)状态下酶反应 是 近几 年来生物 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 新开拓 领域。所谓 SCCO 即纯净的CO 被加热或压缩至高于 其临界点时的状态，cO 的临界点为：临界 温度31．1c，临界压力 7．28MPa。许多研究 表明 SCC0 作为酶反应的中间介质具有明 显的特点和优点 ]：sccOz有似液体的密 度，似气体的扩散性和粘度，因此显示出较大 的溶解能力和较高传递特性，从而大大降低 酶反应过程的传质阻力，提高酶反应速率；反 应底物的溶解性对超临界的操作条件(如温 度、压力)特别敏感+通过简单改变操作条件 或附加其它设备就可达到反应产物和底物、 副产物分离的目的；另外，SCCOz无毒、不可 燃、化学惰性佳、易与反应癌物分离、价格便 宜等特点，使其在工业上，尤其在食品与发酵 行业上的应用具有广阔的发展前景。1985年 Hammard等率先提出sccO 可以作为酶法 酯交换反应介质，接着 Nakamura【5 报道了 SCCOz下脂肪酶催化甘油三酯酯交换反应 的研究结果，其后各国科技工作者逐步认识 SCCOz下脂肪酶催化反应的发展优势，并对 酶的话性、反应速率、反应动力学等方面开始 较为深入的研究，至今 已发表了有关的文 章、专利 2o多篇，本文将就这～方面的研究 及进展情况作一综述介绍。 1 SCCO 中类脂物的溶解性 甘油三酯、脂肪酸及其酯或者它们的混 合物可溶于 sccO 中 ，但它们的溶解度 大小差别较大，一般脂肪酸酯的溶解度大于 相应的游离脂肪酸0 ；对于特定的溶质，在 不同的超临界温度、压力下，其溶解度大小 也不同，且变化很大，一般随着温度的升高 而下降，压力的增加而增加。表 1为几种纯 净甘油三酯和脂肪酸在不同压力、温度下的 溶解性情况 J 表t 甘油三醋，脂肪酸在SCCO 2中的溶解性(g／I CO ) 压力 (MPa) 化舍物 温度(c) 8．1O4 10，13 12．1 6 15．2 20．26 2 ，33 硬瞻酸 40 l 02 t．53 1．gO 60 1．97 4．19 5．16 1 2 0l 油酸 40 0．70 t．95 3．65 6．20 9．05 6O 0．05 t．O1 6．66 山俞酸 40 0，43 0，65 0．73 0 83 牧稿时间：1 996 。g ：1．改叫时问：1 09 7 04—03 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 23卷 第 5期 林志勇等：超临界二氧化碳下酶法酯交换反应研究进展 79 60 0 050 0 1 2 0．30 O．49 0．72 三丁酸甘油酯 40 4．92 16．04 30．0l 64．1 5 60 0．97 38．8 84 22 27O．1 三棕榈酸甘油酯 40 0．030 0．43 0．63 0．79 0．99 1．13 60 O．020 0．07 0．23 0 6l 1．01 1．31 80 0 020 O 05 0．13 O．33 0．87 1．36 三硬脂酸甘油酯 40 O．O0 O．0l 3 0．11 0．19 60 0．00 0．00 0．OO2 0．O42 0．21 0．490 三油酸甘油酯 40 0．01 0．78 2．27 3．19 4．35 50 0．01 0．20 4．16 7．37 10．17 7O 0．02 0．14 6．06 23 25 4l 05 8O 0，04 0．21 6．53 33．19 72．86 三亚油酸甘油酯 40 0．04 O．52 1．07 3．10 60 0．05 0．48 2．80 7．35 SCC0 中加入适当的改良剂可以促进 类 脂的溶解 ，月桂酸在 SCC02(15MPa、 40 c)中的溶解度为 22．1g／kgCO ，但 当往 SCC0 中加入适量的助溶剂(如乙醇、水) 后，月桂酸的溶解度明显提高，这是因为乙 醇或水的加入提高了sccO 极性一“ 另外， 在甘油三酯混合物中，溶解度较高的甘油三 酯也会促进溶解度较低的在 scco 中的溶 解_6J、Nilsson和 Hudsom 测定了几种甘油 三酯混合物在SCCO 中的溶解度，结果发 现三棕榈酸甘油酯(PPP)在混合物中的溶解 度远大于单一纯净 PPP的溶解度 ]。 2 SCCO 中脂肪酶的催化活性及稳 定性 Juergen口 研究了超临界流体对蛋白质 的影响、结果表明，在 SCCO z中蛋白质结构 基本投有发生变化，蛋白质不变性，且 COz 不参加反应。在SCCO 的高压下，脂肪酶基 本不受影响，脂肪酶仍保持完全的活性，并具 有 良好 的稳 定 性“ 温度 35 c、压力 14MPa的 SCCO2中．来 源 于 Rhizop“ arrhizus的脂肪酶催化三月桂酸甘油酯与豆 蔻酸连续酯交换反应达 80h，该酶仍保持 100 的相对活性 。Miller ”也实验得到了 相似的结果，在温度 35 C、压力 l2～16MPa 的 sccO 中，脂肪酶的操作稳定性至少可 保持三天．sccOz中脂肪酶的活性和稳定性 与普通有机介质(如正己烷)中活性和稳定性 基本相似 Miller把脂肪酶分别放在 40 C、 13 MPa Scco。和 40C、常压下的正已烷溶 剂中保持 6天，测定其活力，发现其相对活 力丧失均在 1o 左右。 用 夹 带 剂 (如 乙 醇、水)适 当 处 理 SCC0 ，可以改变SCCO。介质的性质，影响 脂肪酶在其中的活力。Taniguchi口 比较了经 过添加夹带剂乙醇或水后的SCCOz中脂防 酶的活力情况(如表 2)，操作压力 20MPa、温 度 35 c、时间1h。 表2 SCCOz中脂肪譬的活力 C( 一 CO，+ CO，十 脂肪酶 CO： 3 wt 乙醇 6wt 乙醇 o．1wt 水 相对活力 96 88 106 (wt ) 注：脂肪酶制剂中含水 5～7 维普资讯 http://www.cqvip.com 80 食品与发酵工业 Food and Fermentation Industries Vo1．23 No．5 由表 2可 以看出，SCCO：中加入 3～ 6wt 乙醇，脂肪酶活力略有下降，但加入 0．1 的水时，酶活力反而有所提高，然而， 当酶制剂中水分含量 由 7 增加至 100 (w／w)时，酶活力却降低为原来的2／3。适当 水分有利于保持酶活性部位构象，使酶充分 发挥活力，但若反应体系中水分含量过高，脂 肪酶制剂大量吸附水分，酶表面被几层水分 子包围，阻碍了酶与反应介质的接触，也相对 降低了酶活力；同时，反应体系中水分含量过 高．也引起水解程度增加．不利于最终酯交换 产品的得率 3 酯交换反应条件对反应速率及得率 的影响 SCCO 下酶反应的最大优点是不存在 传质阻力现象，周此酶反应速率一般比在普 通有机介质中快 但SCCO z毕竟不同于普通 有机介质，SCCOz下酶反应还受到很多因素 的影响，如水分含量、反应压力、底物浓度 等。 3．1 水分含量 水是维持酶的活性部位构象，使其发挥 催化作用所必需的。在酶促酯交换反应中， 水既是酯水解反应的底物，又是酯合成反应 的产物，因此反应体系中水分含量不仅影响 酶的催化活性，而且还可使反应的平衡点发 生移动。水在SCCO。中的溶解度约是正己烷 中的 100倍左右，因此，SCCO 中酶促酯交 换反应，其所需的水分含量略高于正己烷中 酶反应；SCCO z中酯交换反应速率也快于正 己烷中反应速率 ]。来自Mucor mehei的 脂肪酶催化三油酸甘油酯与硬脂酸酯交换反 应，水分含量对酯交换反应初速的影响如图 1所示(反应介质分别为正己烷和SCCOz) 从图中可以看出，当水分含量小于1 时，反 应介质性质对反应初速影响不大，但当水分 含量高于 1 时，反应介质对反应初速有明 显的影响：水分含量为 20 时，SCCO!中的 反应初速约为正己烷中的四倍。这是因为一 方面在 SCC02中，反应底物和反应产物具 有 比正己烷 中更 高的扩散性，另一方 面 SCCO 中含适 当水也有利于提高其介电常 数．促进反应进行。 * I： 科 遵 袁营吉■‘，‘，W／W--一体， 罔 1 水分岔晕对酯交换反应韧速的影响 水分音■( ，W／W一藏体) 图2 水分占量对酯交换率的影响 酶的来源／载体 I．米黑毛霉／离子交换树脂 2．德列马根霉／硅藻土 3．产碱菌／无载体 4．日本根霉／硅藻土 反应体系中水分含量影响酯交换反应的 化学平衡，从而影响反应产物的最终得率。 ChilIB]研究 了几种不同来源的脂肪酶，在不 同的水分含量下催化三油酸甘油酯与硬脂酸 酯交换 反应，反应 压力 29：4 MPa，温度 5o c，其反应达到平衡时的酯交换率大小如 图 2所示。 3．2 反应压力 反应压力对脂肪酶催化反应影响很大， 特别是在 SCCO 临界压力 7．28MPa附近。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 23卷 第 5期 林志勇等 超临界二藕化磺下酶法酯交换反应研究进展 81 压力对脂肪酶本身体系影响不大，它主要影 响了SCCOz的性质，从而影响反应速率及得 率 。一般随着反应压力的增加，反应速率 加快，因为底物在 sccOz中溶解度增加0 。 1．3专～性脂肪酶催化三月桂酸甘油酯与豆 蔻酸酯交换反应，反应温度 35℃．随着体系 中压力增加，脂肪酶的水解和酯交换速率均 获得提高，但酯交换反应速率的提高远大于 水解反应速率；反应达到平衡时，酯交换率 也相应提高 ”j 3．3 反应底物浓度 酶促酯交换反应是个可逆反应，底物浓 度直接影响反应的化学平衡。如果在酯交换 反应过程中，选择性地把反应产物不断分离 出反应体系，则可提高酯交换率 。三辛酸 甘油酯和油酸甲酯酯交换反应，温度 40(3、 压力 10MPa。在反应过程中，利用 SCCOz萃 取的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 不断地把产物辛酸甲酯从反应体系 中萃取出，促使反应平衡向酯交换方向移 动，反应 14h后，酯交换得率由原来的60 左右提高到 87．3 。 4 油脂工业上的应用 4．1 油脂改性 1 1，3-专一性脂肪酷 天然动、植物油脂受 自身遗传因子的限 定．总是存在这样或那样的局限，而不能满足 市场需求。脂肪酶催化酯交换油脂改性，借助 生物酶的高度专一性的催化特点，从而可获 得某些高价值或自然界不存在的油脂t如由 乌桕皮油改性制取类可可脂0 ，菜籽油与棕 榈仁或椰子油酯交换制取中碳链油脂等等。 SCCOz作为酶促酯交换反应中间介质，由于 没有传质阻力，反应速率比有机溶剂中快； 在SCCO 下，借助反应产物溶解度对超临 界操作条件敏感特性，把产物不断地从反应 体系中萃取出来．促使平衡向有利方向移动， 从而提高酯交换率．达到生产的要求；另 外，反应结束，产物易与反应物、副产物分 离．且 CO。无毒、不可燃、价格便宜，是酶反 应首选中间介质。Nakarnurau 等利用 1，3 专一性脂肪酶，以SCCOz为反应介质，催化 三油酸甘油酯与硬脂酸酯交换反应，最终产 物为1，3一二硬脂酸一2一油酸甘油酯和 1一 硬脂酸一2，3一二油酸甘油酯，此结果验证 了SCCO 下酶促油脂改性制取类可可脂等 高副价值油脂的可能性。 4．2 多不饱和脂肪酸的富集 +cH H。OH 斗 图3 专一性脂肪酶催化酯交换富集多不饱和脂肪酸反应式 n一3多不饱和脂肪酸，如 一亚麻酸、 响最终产品质量；分子蒸馏需要在高温、高 二 十二碳 六烯酸 (DHA)、二 十碳五 烯酸 真空下进行．能耗大。而惜助专一性脂肪酶在 (EPA)具有生物活性功能，传统上常用皂 常温下酯化或酯交换富含多不饱和脂肪酸的 化、分子蒸馏等物化方法来富集n一3多不饱 鱼油、月见草油等，可容易浓缩获得高质量产 和脂肪酸，但皂化方法易造成产品氧化．影 品 “ 一 SccO 下，具有选择性脂肪酶催化 维普资讯 http://www.cqvip.com 82 《食品与发酵工业》 Food and Fermentation Industries Vo[．23 No．5 鳕鱼肝油与乙醇酯交换反应 反应过程中．鱼 肝油甘油三酯1，3位上非多不饱和脂肪酸被 置换下来，形成乙酯，而多不饱和脂肪酸仍 保留在甘油骨架上(如图3反应式)，同时， 反应产物乙酯不断被 SCCO 萃取出反应体 系，从而富集到多不饱和脂肪酸 8l。 5 总结与展望 SCCOz下酶反应具有很大优点，特别是 酶促酯交换反应进行油脂改性．可望获得高 品位的油脂产品及富集具有生物活性的多不 饱和脂防酸，且产品中不具有溶剂残留的危 险，因此它在食品行业中发展前景看好。近几 年来．SCCO。中酶促酯交换反应研究工作已 取得长足进展，但它仍娃在基础研究阶段，有 关相平衡、反应动力学、传质阻力方面的报道 还很少，而这些对于工厂的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和反应条件 的控制都极为重要。另外．虽然油脂可溶解于 SCCO 中，但相对溶鸺度还很小．如何提高 油脂在SCCO 中的溶解度也是未来的研究 方向之一。 参 考 文 献 l Rizvi S S H et aL Food Techno[．，l996，40： S5 65 2 超威棋．超临界流体及其应用，郑州粮食学 院t 1 990，l：88 g5 3 Bolz U —Stephan K—Riek A．Bioehem．Eng． 一 Stutgort，1990，24：81 85 4 Kamat S，Beckman E J and Russet1 A J． Enzyme M icrob．Teehno[．，1992，14：265 5 Nakamura K， Chl Y M．them． Eng． Commun．．1986．45：207— 221 6 Bambrger T， Erickson J C． J． Chem． Eng．tl998t33(3)：327--333 7 Hammam H．I ipids in Supercritiea[Carbon Dioxide—— ——Phisieat Functiohal Aspects， Ph．D Thesis．University of I_und，Sweden，l994 8 Staby A，Mollerup J．J． Am．Oil Chem． Soc．，l993t70：583 9 1osef Choastt1．J． Phys． Chem． Ettg．， l982，5：l8l l95 10 Marty A．Chulalaksanonukl W ，Dondoret J S．Biotechno1．I ett．，l990．12：i1— 16 11 Dumont T，Barth D，Cobier C et a1． Biotech．and Bioeng．tl992．39：329— 333 l2 Nilsson W B．and Hudson J K Ibid．． 1993．70：749 13 Weder Juergen K P．Lebensm．一Unters． Forseh．．1980．171(2)}95 l04 14 Miller D A． Ph． D． University of Catifornia·Be rkeley 1990—147pp l 5 Miller D A，Lanch H W ，Rausnitz J M． Ind．Eng．Chem．Res．．1991，30(5)：939— 946 l6 Taniguehi M ，Kamihira M ，Abavashi T． Agrie．Bio1．Chem．，1987，51(2)：593 594 17 Mil[erD A et a【lAnn．N．Y．Acad．Sci．． 1990．613：534—537 l8 Chi Y M ，Akamura KOZO，Ano T．Agric 甑o1．Chem ．，1988，52t6)：1541 1550 l 9 Nakamura K．Food Biomater．．1994．54 6l 20 Edckson J C， Chyms Philippe，Ooney Che[es I ．AICHE ．1990．36(2)：299 301 21 Knez Z．Habulin M ．Biocata ys s．1994，9 (1—4)：】】5一 l21 22 Endo Yasushi．Fujimoto Kenshiro e'f a【l Dev． Food Eng．一Proc．Int． Congr． Eng． Food— fPub．1994) 23 Adsehiri T，Akiya H，Chin I， C．J． Chemical Engineering of Japan ·1 992，25(11：104 l05 24 林志勇．酶法酯交换制取娄可可脂的研究， 硕士论文，无锝轻工大学tl996 25 -Nakamura K0jo．Ann．N．Y．Acad．Sei．， 1991，3I9 332 26 Matthew J Hi【ls et a1．JA()CS，l 990t 67 (9)：561— 564 ’27 I i Znyi and W ard O P ． Enzvme M ierob． TechnoI．tl993，l5(7) 601— 6O6 28 Helga Gunn【a gsd0ttlr and Bjorn Sivik， JA()CS，1995，72<4)：399 4(14 维普资讯 http://www.cqvip.com